橡胶坝在孔兑引洪滞沙工程中的应用

2017-04-13王普庆王晖

河南水利与南水北调 2017年3期

关键词：橡胶坝淤积泥沙

□王普庆□王晖

（1黄河水利科学研究院；华北水利水电大学）

橡胶坝在孔兑引洪滞沙工程中的应用

□王普庆1□王晖2

（1黄河水利科学研究院；华北水利水电大学）

十大孔兑上游为丘陵严重的水土流失、下游为黄河干流，中部经过沙漠区，孔兑洪水泥沙在下游平原区河段时常淤积，并对入汇的黄河干流形成淤堵，灾害频发，严重影响沿岸地区正常的工农业生产，为解决孔兑下游河道淤积和对黄河河道产生的淤堵影响，在多条孔兑上先后实施了引洪放淤等措施。受工程不配套、建筑物老化破损、泥沙淤积严重等多种因素影响，现有的滞洪工程无法正常运行，难以发挥应有的工程效益。文章在对橡胶坝工程壅水特性计算和导流作用分析基础上，结合河道地形条件和水沙特点，针对工程的适用性条件、经济、防洪安全、管理运用等方面开展了初步的应用探讨，为解决孔兑洪水灾害提供技术参考和理论依据。

橡胶坝孔兑；引洪滞沙；壅水；导流

1 孔兑流域及洪水泥沙特点

十大孔兑位于黄河三湖河口至头道拐河段南岸，源于水土流失严重的砒砂岩区，上段为丘陵，中段穿越布齐沙漠，经过下游平原区入汇干流黄河。孔兑（注：蒙语，河流）地形地势南高北低，上游丘陵沟壑区面积为5 172 km2，占总面积的48%，季风期间，大量来自沙漠的泥沙堆积至河床两岸，受风力和水力的双重作用，随洪水输送至下游；下游为黄河冲积平原，河道比降突然变缓（1/800～1/1 000），约占流域总总面积的26%。

鉴于十大孔兑洪水泥沙问题突出，为解决孔兑下游河道淤积和对黄河河道产生的淤堵影响，在流域内修建淤地坝近300座，引洪滞沙工程10处（见图1）。

图1 十大孔兑引洪滞沙工程分布图

2 引洪滞沙工程概况及存在问题

2.1 引洪滞沙工程概况

十大孔兑引洪用洪历史悠久，最早可追溯到清代中叶。建国后，为开发利用孔兑水沙资源，根治孔兑洪水泥沙灾害，当地政府把引洪淤灌作为孔兑综合治理开发的重要环节，开挖引洪渠道，把洪水引入库布齐沙漠，淤灌土地，改造风沙，成效显著。20世纪50年代以后，在多条孔兑上先后实施了引洪放淤，如：哈什拉川的九大渠工程、木哈沟的公鸟素和八一胜利渠工程等。从运行情况看，既可减少大量的入黄泥沙，又可在一定程度上治理沙漠，达到一举多得的效果。孔兑中下游地势相对平坦、幅员辽阔、经济社会发展相对落后，毛不拉孔兑、西柳沟、罕台川等孔兑均具备较好放淤条件。

2.2 存在的问题

十大孔兑中游现有的分洪引洪工程，多为20世纪六、七十年代修建。多年来，由于对十大孔兑水沙规律认识不足，引洪口和引洪渠淤积严重，或由于受投资限制，工程设计布局不完善，以及超标准洪水破坏，十大孔兑引洪工程年久失修损毁严重等原因，目前保存下来的仅有5处，分别是恩格贝（阿什泉林召）引洪工程、“九大”渠引洪滞沙工程等，共计设计引洪流量3 508 m3/s，但由于工程不配套、建筑物老化破损、泥沙淤积严重、管理问题等问题，基本都不能正常运行，无法产生应有的工程效益。

3 橡胶坝工程特性计算分析

3.1 壅水计算

橡胶坝的布置形式主要有跨河式拦河坝、部分跨河的控导丁坝等形式。河修建橡胶坝以后，由于河道水流受橡胶坝壅阻，使上游比降减缓、流速降低、水位壅高。

为说明橡胶坝的壅水影响情况，笔者应用西柳沟水文观测断面（见图2）为例，应用水流连续方程（1）和曼宁阻力公式（2），计算不同工况下的橡胶坝的壅水情况，计算过流能力采用的公式为：

式中，V为平均流速m/s；n为糙率；H为平均水深m；J为水面比降；B为河道宽度，m。

图2 西柳沟（2010年）实测断面图

按照不同的坝高及长度计算的壅水结果如图3所示。计算结果显示，坝高相同条件下，坝长（河宽倍数）越长壅水越高，同一坝长条件下，坝高越高壅水越高。

3.2 导流作用分析

关于橡胶坝的导流作用在国内有大量的实践应用和实验成果。在桥巩水电站二期上游过水土石围堰工程中，采用橡胶坝技术可升坝挡水、坍坝行洪，消除了施工期淹没赔偿的问题，橡胶坝的导流效果，增大了汛期的发电水位。

当橡胶坝为丁坝的布置形式时，一定程度上改变了工程河段的的水流特性，除了壅抬水位，还具有明显的导流作用。工程附近流场变化主要表现为横向和垂向流速增大，水流出现偏转，流速分布在横断面上趋于非均匀和非对称，无坝一侧流速大幅提高，导流效果明显。

从实验室模拟结果来看，丁坝断面主流收缩，水流偏向对岸；水流绕过坝头后，形成主流最窄的收缩断面和坝后回流，有效增大坝头单宽流量。综上述，无论在生产实践方面，还是科学试验方面，都说明橡胶坝在拦蓄洪水、控导水流等方面具有显著作用。

图3 不同的坝高及长度计算的壅水结果图

4 橡胶坝工程应用可行性分析

4.1 稳定口门的引水能力

基于目前引黄滞沙工程中存在的引水口门泥沙淤积问题，对于孔兑中下游沙漠平原区来说，河道比降相对平缓，过流断面相对宽浅，具备修建橡胶坝工程的地质地形条件。

4.2 满足现状工程迫切需要

橡胶坝工程应用技术成熟，在河道整治及环境美化等工程均有成套应用的成功技术经验，据估算，一座橡胶坝的工程费用约相当于混凝土工程的1/5。内蒙河段十大孔兑平原区，洪水时常泛滥和主河槽持续淤积抬升，两岸大部地区低于十大孔兑河床和黄河河床，加之沙漠区潜水出流，土地盐碱化、沼泽化严重，对土地生产能力造成非常不利的影响。

4.3 具备安全可靠的工作环境

依据文献，一般情况下孔兑洪水含沙量多在300～800 kg/m3之间，部分年份可达1 000 kg/m3以上（例1989年西柳沟最大含沙量1 550 kg/m3，对应流量3 620 m3/s）孔兑中游平原河段泥沙来源组成偏细，中值粒径一般在0.03～0.05 mm之间，而河床质组成中值粒径基本≤1 mm。

4.4 调控简便，减少坝前淤积

建立分洪工程或拦河坝，洪水泥沙通过进水口进入引洪滞沙区，将在坝前产生大量的泥沙淤积，坝前库容逐渐减少，造成取水功能的减弱，甚至消失；而橡胶坝坝高调节自如，可升可降，既可充坝挡水，又可坍坝过流。便于降低水位冲刷，泄空排出淤积泥沙，有利于快速恢复拦河坝的拉沙库容，使工程效益得以长期的发挥和利用。

4.5 坝型选择

孔兑中下游河道地形复杂，洪水泥沙量差异较大，放淤区规划标准并无统一的标准，在规划设计时，可结合具体的河道地形条件和淤区引洪量要求，确定橡胶坝的布置形式、规格尺寸，以期达到工程项目的科学、合理、高效的目的。